清华大学卫璇、潘昭光、孙宏斌等：云管边端架构下虚拟电厂资源集群与协同调控研究综述及展望
发布时间:2020-11-27
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卫璇1，潘昭光2，王彬2，孙宏斌2，郭庆来2
（1．清华-伯克利深圳学院；2．电力系统及发电设备控制和仿真国家重点实验室（清华大学电机系））
文章导读
具有极强随机性和不确定性的分布式能源、可控负荷、电动汽车等的发展，既给电力系统的灵活性问题带来挑战，又可以作为灵活性资源给电网带来机遇。虚拟电厂作为灵活性资源集成聚合的主要形式，实现对海量灵活性闲散资源终端的聚能、储能、供能与用能。然而，灵活性资源的运行特性为VPP的资源聚合集群与优化调度在能量尺度、空间尺度和时间尺度带来了挑战，亟需新的体系结构和集群控制方法。该文聚焦于VPP内部的资源管理，首先从能量、空间、时间三个尺度指出VPP实施资源集群及协同调控过程中面临的技术挑战；然后阐述云管边端架构下VPP的层级结构与基本功能，并对资源建模、资源集群、协同调控涉及的关键技术及相关通信方法进行综述，最后对未来VPP需要探索的研究方向进行了展望。
研究成果
1
针对当前灵活性资源比例不断上升的现状，从能量、空间、时间三个尺度指出灵活性资源的运行特性给虚拟电厂管理带来的技术挑战，阐述了云管边端架构下虚拟电厂的层级结构与基本功能，总结了国内外专家学者在该研究领域的主要研究进展，研究涉及虚拟电厂的资源建模、资源集群、协同调控等方面。
2
根据虚拟电厂资源管理与优化调度方面的研究现状指出了在当前研究的不足和对未来研究的展望，以期为后续研究提供一些思路和帮助。
主要内容
近年来，风电、光伏、潮汐、地热等波动性、不确定性较强的可再生能源的不断接入和具有源荷双重性质的可控负荷比例的不断上升，既给电力系统的灵活性问题带来挑战，又可以作为FRs给电网带来机遇。然而，FRs的发展呈现出小容量、规模庞大、地域分散、种类多样、运营主体多样、动态变化等特征。
从能量尺度，电、热、冷、气多种能源相互耦合，VPP成为集成电力、热能、天然气等多种能源的综合能源系统，涉及能源的转换、分配与有机协调，图1展示了能源网中电、热、冷、气之间的耦合关系图，电能作为连接各种能源的纽带，打破了不同能源形式之间的壁垒，极大提高了能源的利用效率。
⬆ 图1 多能耦合关系图
从空间尺度，灵活性资源分散于能源网的各个角落，虚拟电厂实现面向千家万户闲散能源的高效利用，图2为描述FRs空间分散分布特性的示意图。
⬆ 图2 灵活性资源空间分布示意图
从时间尺度，FRs时间尺度的复杂性体现在自身动态特性各异以及参与不同调控内容和电力市场的差异性，图3从以上两个维度总结了资源集群与协同调控中涉及的多时间尺度复杂特性。
⬆图3 多时间尺度关系图
为了减小对FRs的管控难度，提升调控模型的精确性和可行性，本文基于现有VPP框架的相关研究，将FRs的物理聚合、信息传输、资源调控分为三部分，得到云管边端架构下VPP的基本结构，如图4所示。
⬆ 图4 虚拟电厂的云管边端架构
为应对灵活性资源的多能耦合、地域分散、时间动态特性等挑战，分别从FRs的资源建模、资源集群和协同调控三方面，结合现有研究，对云管边端架构下VPP实现相应功能涉及的关键技术进行综述和探讨。
资源建模方面，目前基于物理原理对于FRs的性能和数学模型刻画已经比较成熟。但类型多样的FRs的模型难以精确获得，其参数具有很大的分散性和不确定性，且其对VPP调控命令的响应行为也存在不确定性。在资源建模方面，未来VPP的发展方向为建立兼顾自身参数特性和响应不确定性的FRs模型。
资源集群方面，现有研究多聚焦于边缘服务器的资源集群，多为静态聚合。动态聚合具有更大的适用场合，进一步利用不同资源的互补特性得到更多的灵活性。在资源聚合方面，未来VPP发展方向为聚合并等值连续、离散调节能力的混合FRs，并对等值模型的有效性和可信性进行评估。
协同调控方面，针对多能尺度、多时间尺度和多空间尺度下VPP的资源调控、优化调度运行已成为研究热点。未来VPP的发展方向为在云管边端架构下，凭借其大量数据和强大计算能力，采用人工智能、大数据等技术，加快求解速度，提高调度效率。
随着能源网、信息网持续交互融合，VPP参与主体逐渐多样化，VPP参与电网可靠运行要求不断提高，未来将从多网融合VPP、多主体参与VPP、VPP可靠性评估、VPP盈利模式四个角度切入VPP的研究。
本文引文信息
卫璇，潘昭光，王彬，等.云管边端架构下虚拟电厂资源集群与协同调控研究综述及展望[J]. 全球能源互联网，2020，3(6)：539-551.
WEI Xuan, PAN Zhaoguang, WANG Bin, et al. Review on virtual power plant resource aggregation and collaborative regulation using cloud-tube-edge-end architecture[J]. Journal of Global Energy Interconnection, 2020, 3(6): 539-551(in Chinese).
研究团队
清华大学“电气工程”专业连续多年全国排名第一，拥有“电力系统与发电设备控制与仿真”国家重点实验室，具备RTDS数字仿真平台，30kW风力发电平台、7kW太阳能光伏发电平台等为间歇式能源运行和控制研究提供了优越条件。电机系目前拥有院士3人，长江学者特聘教授4人，IEEE/IETFellow16人，具有雄厚的人才基础和研究实力。
电网调度自动化课题组研究团队一直聚焦于电网调度与控制领域的研究，是我国最早开始能量管理系统研究的团队之一。首创开发了“EMS/DTS一体化设计”、“图模库一体化建模”等创新技术成为能量管理领域的主流。主持了科技部973计划“源网荷协同的智能电网能量挂你和运行控制基础研究”项目，提出了智能电网能量管系统家族的概念，同时承担了国家自然科学基金委“多能流能量管理的基础研究”项目，内容涵盖状态估计、安全分析与控制、优化调度等多个内容，已取得多项研究成果。
作者简介
卫璇
博士研究生
主要研究方向为云边协同虚拟电厂
E-mail：
wei-x20@mails.tsinghua.edu.cn
潘昭光
博士后
研究方向为综合能源系统、能量管理关键技术和系统研发、应用
E-mail：
panzhaoguang@tsinghua.edu.cn
王彬
博士，副研究员
主要研究方向为智能电网和能源互联网能量管理和运行调控
E-mail：
wb1984@tsinghua.edu.cn
孙宏斌
清华大学电机系教授，博士生导师，教育部长江学者
主要研究方向为能源互联网，智能电网，电力系统运行与控制
E-mail：
shb@tsinghua.edu.cn
郭庆来
清华大学电机系副教授，博士生导师
主要研究方向为能源互联网，智能电网，电力系统运行与控制
E-mail：
guoqinglai@tsinghua.edu.cn
编辑：张鹏
审核：白恺
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